胶体量子点（CQDs）凭借溶液可加工、带隙尺寸可调、大面积制备与CMOS兼容等优势，成为新一代低成本红外光电器件的理想候选材料。碲化汞（HgTe）胶体量子点依托体相能带反转与量子限域效应，可实现从短波红外（SWIR）、中波红外（MWIR）、长波红外（LWIR）到太赫兹（THz）的超宽光谱覆盖，同时具备高载流子迁移率、强红外吸收系数与本征自掺杂特性。然而，HgTe胶体量子点超高的比表面积导致表面缺陷密集、载流子复合严重，界面能级失配引发电荷抽取效率低下，成为制约器件性能的核心瓶颈。
图1 块体HgTe与受限HgTe胶体量子点的能带结构示意图
据麦姆斯咨询报道，近日，由中央民族大学、北京大学、宁波大学和北京理工大学组成的研究团队系统梳理了HgTe胶体量子点的表面化学工程与界面工程最新进展，阐明了配体调控、表面钝化、界面能级匹配对载流子输运、缺陷抑制与器件性能的调控机制，总结了高性能红外光电探测器、场效应晶体管（FET）、焦平面阵列（FPA）的研究突破，剖析了材料毒性、稳定性与集成化挑战，为HgTe红外光电器件的实用化发展提供了全面指导。这项研究系统呈现HgTe胶体量子点表面与界面化学的研究进展、器件应用与未来方向。相关研究成果以“Interface and Surface Chemistry Engineering in HgTe Quantum Dots for High-Performance Infrared Optoelectronic Devices”为题发表在Advanced Materials期刊上。
图2 HgTe胶体量子点示意图，展示其量子限域效应、合成方案、配体钝化策略，以及在各类红外光电器件中的集成与相关应用。
HgTe胶体量子点的本征物理特性与红外光电优势
HgTe是具有能带反转特性的II-VI族半金属材料。当尺寸降至激子玻尔半径（~10 nm）以下时，量子限域效应打破能带简并，打开尺寸可调的正带隙，实现从半金属到半导体的物性转变。图3完整示意了决定HgTe胶体量子点电学与光学特性的核心物理机理，这些机理是其实现光电功能的关键。
图3 HgTe胶体量子点关键物理机制示意图
HgTe胶体量子点的核心红外光电优势体现在超宽光谱可调性、优异载流子输运特性、溶液加工与集成兼容性等方面，使其成为用于光电器件集成的理想材料。
HgTe胶体量子点的可控合成策略：尺寸、形貌与结晶性调控
高质量HgTe胶体量子点的可控制备是实现高性能器件的基础，目前主流合成方法可分为四类，均以精准调控尺寸分布、形貌与结晶性为核心目标。合成工艺的核心突破在于实现尺寸精准可控+低缺陷密度，为后续表面与界面工程提供高质量材料基础。
图4 HgTe胶体量子点各类合成策略示意图
水相合成法
以HgCl₂、NaHTe为前驱体，在室温或低温下反应制备，具有低成本、环境友好的优势。但水相体系配体稳定性差，量子点尺寸分布宽，仅适用于基础物性研究。
有机相与热注入法
以油胺为溶剂与配体，高温下快速注入Te前驱体引发形核生长，可制备单分散性优异的HgTe胶体量子点。通过调控反应温度、时间与前驱体比例，可实现粒径3–15 nm精准调控，吸收峰半高宽窄至50 nm，是目前高性能器件的主流合成方案。
两步冷注入与连续滴加合成
通过分步注入前驱体分离形核与生长过程，抑制二次形核，进一步提升尺寸均匀性；连续滴加法则可规模化制备量子点，批间差异小于8%，适配工业化量产需求。
形貌与核壳结构调控
除球形量子点外，可制备四面体、棒状各向异性HgTe胶体量子点，增强光吸收与载流子输运各向异性；HgTe/CdS、HgTe/ZnS核壳结构可钝化表面缺陷，提升环境稳定性，将器件寿命延长至数百小时。
图5 HgTe纳米晶体的核壳生长法
表面化学与配体工程
表面化学工程是解决HgTe胶体量子点表面悬键、缺陷态与载流子非辐射复合的核心手段，主要包括配体工程、原位钝化、掺杂调控三大策略，直接决定器件暗电流、响应度与稳定性。
配体交换工程
合成过程中长链油胺、油酸配体绝缘性强，阻碍载流子输运，需通过配体交换替换为短链导电配体。最优配体策略为卤化物-硫醇混合配体，兼顾缺陷钝化与载流子输运，使器件暗电流密度降低至10⁻⁸ A/cm²。
图6 HgTe量子点的配体导向合成、光学调控与载流子动力学综述
原位钝化与无交换表面工程
传统配体交换易引入新缺陷，原位钝化技术可在合成过程中直接完成表面修饰：碘原位钝化可精准填充Te空位，抑制表面氧化；无配体交换策略直接保留原始表面，将陷阱密度降低一个数量级，响应度提升至40 A/W。
图7 HgTe胶体量子点中配体诱导能级排布的原理示意图
表面掺杂与载流子调控
HgTe胶体量子点存在本征自掺杂（Hg富集会导致n型掺杂），通过Au、Cu表面掺杂可调控费米能级，实现p型/n型可逆掺杂，精准匹配界面能级，提升电荷分离效率。表面化学工程的核心价值在于：将表面缺陷态密度从10¹² cm⁻²降至10¹⁰ cm⁻²，为高性能器件奠定基础。
基于HgTe胶体量子点的红外光电器件
光电导与光伏探测器
光电导型探测器是经碘钝化的HgTe胶体量子点器件，在4.2 μm中波红外波段响应度达1 A/W，比探测率（D*）突破10¹¹ Jones，响应时间低至μs级。
图8 用于提升中红外探测性能的HgTe胶体量子点光电导探测器先进结构
光伏型探测器是p-i-n结构器件实现自驱动工作，零偏压下比探测率达3.9×10¹¹ Jones，暗电流低于10⁻⁹ A，无需制冷即可室温工作。
场效应晶体管（FET）
HgTe胶体量子点场效应晶体管实现栅压可调红外响应，迁移率达18.4 cm²・V⁻¹・s⁻¹，开关比10⁵，可实现红外信号的探测与调制一体化，适用于集成红外传感电路。
光电二极管与多层结构
基于HgTe胶体量子点的光电二极管凭借暗电流低、响应速度快、可零偏压工作等优势，成为红外探测领域中光电导器件极具潜力的替代方案。在光电二极管结构中，p-n结、p-i-n结或异质结结构自带的内建电场可实现光生载流子的高效分离，进而降低器件噪声、提升探测率。图11展示了多层PbS/HgTe胶体量子点光电探测器的宽光谱性能。
图11 多层PbS/HgTe胶体量子点光电探测器的宽波段性能
焦平面阵列（FPAs）与成像应用
HgTe胶体量子点直接沉积于硅基CMOS读出电路，无需倒装焊，制备出640×480分辨率红外成像阵列，室温下噪声等效温差（NETD）低至50 mK，成像质量逼近商用HgCdTe器件，成本降低90%。
核心挑战与未来展望
尽管HgTe胶体量子点红外光电器件取得突破性进展，仍面临材料毒性、长期稳定性、规模化均匀性和长波红外噪声四大核心挑战。未来发展方向聚焦五大路径：（1）绿色低毒替代：开发HgTe低汞/无汞合金量子点，保留宽光谱特性同时降低毒性；（2）多层封装技术：ALD-Al₂O₃/有机复合封装，将器件寿命提升至10⁴小时以上；（3）卷对卷规模化制备：狭缝涂布、喷墨打印实现大面积均匀成膜，均匀性突破95%；（4）量子点超晶格：自组装超晶格结构增强载流子输运，抑制长波红外噪声；（5）单片集成系统：HgTe探测器与硅基电路、微透镜单片集成，实现芯片级红外成像系统。图12汇总了碲化汞量子点的关键挑战与未来发展前景。
综上所述，HgTe胶体量子点凭借量子限域效应实现红外全波段可调响应，表面化学工程与界面工程是突破缺陷复合、能级失配瓶颈的核心手段。通过配体交换、原位钝化、界面能级匹配等策略，HgTe红外光电探测器实现室温高灵敏、自驱动、宽光谱工作，焦平面阵列实现低成本红外成像，为红外光电器件的轻量化、低成本、集成化发展提供了全新方案。当前HgTe胶体量子点器件仍面临毒性、稳定性、规模化与噪声抑制的挑战，需通过材料创新、工艺优化与集成技术突破实现实用化。随着表面与界面化学调控技术的持续进步，HgTe红外光电器件将在民用安防、生物医疗、工业监测与消费电子领域实现大规模应用，成为颠覆传统红外探测技术的核心材料体系。
https://doi.org/10.1002/adma.73486
